本發(fā)明涉及表面加工技術領域，具體是一種納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的方法。

背景技術：

激光沖擊強化是最近幾十年發(fā)展起來的一種新型表面強化技術。它利用高功率脈沖激光誘導產(chǎn)生等離子體沖擊波對金屬材料作用，不僅能在零件表層形成數(shù)百MPa的殘余壓應力，而且可以提高零件表層硬度并使表面晶粒細化，從而顯著改善不銹鋼焊接件的抗疲勞性、耐磨損及抗應力腐蝕性能。日本東芝公司已經(jīng)將激光沖擊處理技術用于原子反應堆壓力容器焊縫的應力腐蝕問題，對核反應堆壓力容器、管道接頭等焊縫進行了激光沖擊處理，取得了很好的耐應力腐蝕效果。國內(nèi)，南京工業(yè)大學、江蘇大學等單位先后研究了激光沖擊光斑搭接率對不銹鋼焊接接頭應力腐蝕的影響，初步分析了激光沖擊產(chǎn)生的殘余壓應力對焊接接頭應力腐蝕抗性的提高作用。

現(xiàn)有技術雖然可以對不銹鋼焊接構件進行激光沖擊強化，但激光沖擊強化時容易發(fā)生奧氏體向馬氏體轉變，致使構件抗應力腐蝕性能下降，嚴重影響構件的使用壽命和裝備的安全可靠性。中國發(fā)明專利CN1995410A提出一種奧氏體不銹鋼焊接接頭耐腐蝕方法，通過調(diào)整焊接工藝提高耐蝕性，抗腐蝕性能提高有限，無法解決焊接本身的殘余拉應力問題。中國專利CN103160664A，公開了一種不銹鋼焊接接頭表面強化處理的方法。即利用表面機械研磨技術處理不銹鋼焊接接頭，在不銹鋼焊接接頭的表面制備出超細晶和超細孿晶結構，從而使其具有高的表面硬度，但對構件的尺寸和形狀有要求，無法滿足復雜型面的處理，同時不能控制奧氏體不銹鋼的奧氏體組織向馬氏體轉變。中國發(fā)明專利ZL200510094763.8,提出了“提高不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕性能的玻璃噴丸處理工藝”，是一種降低奧氏體不銹鋼焊接接頭應力腐蝕開裂敏感性的表面處理方法，解決鋼丸噴丸殘留引起的電化學腐蝕降低奧氏體不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕。中國發(fā)明專利CN102127630A介紹了采用激光沖擊強化X70管線鋼焊接接頭的處理CN200910027130.3公開了一種基于激光沖擊波和電磁脈沖的復合沖擊材料表面強化方法及裝置，可防止材料表面產(chǎn)生有害的殘余拉應力，消除焊接應力和提高抗應力腐蝕。激光表面處理屬非接觸加工，無明顯機械力，工具損耗，加工速度快，熱影響區(qū)小，可達高精度加工，易實現(xiàn)自動化，功率密度高，不受材料限制，能源消耗少，無處理污染，在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢?，F(xiàn)有技術雖然可以對不銹鋼焊接構件進行激光沖擊強化，但沒有解決奧氏體不銹鋼焊接接頭容易發(fā)生奧氏體向馬氏體轉變，相變使得奧氏體不銹鋼由單相變?yōu)閮上啵捎趦上嘀g的電極電位差異大，加劇電化學腐蝕，致使構件抗應力腐蝕性能下降，嚴重影響構件的使用壽命和裝備的安全可靠性。

技術實現(xiàn)要素：

為解決奧氏體不銹鋼焊接接頭激光沖擊強化抗應力腐蝕性能下降的不足，本發(fā)明提出了一種納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的方法。

本發(fā)明的具體步驟為：

步驟1，粘貼吸收保護層。以厚度為0.05mm～0.1mm的鋁箔作為吸收保護層。將鋁箔粘貼在試件的焊縫表面和焊縫兩側各5mm～10mm的區(qū)域內(nèi)，所述鋁鉑的厚度≤0.1mm。

步驟2，形成約束層。在所述吸收保護層表面形成1mm～2mm厚的去離子水層作為約束層并保持。

步驟3，激光沖擊焊縫。利用納秒脈沖激光對所述焊縫進行沖擊。沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為3GW/cm²～5GW/cm²。激光的脈沖時間為10ns～30ns。

所述光斑的直徑為2.0～2.4mm。

所述激光沖擊焊縫時，光斑以所述焊縫一端表面一側為起點，沿該焊縫的寬度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向正交。當光斑移動至所述焊縫表面另一側邊沿時，光斑的移動路徑與焊縫的方向平行向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的寬度反方向移動至該光斑起點的下方；光斑繼續(xù)以與焊縫方向平行的路徑向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至該焊縫的另一端。

步驟4，激光沖擊焊縫外區(qū)域。在激光沖擊焊縫外區(qū)域時，移動光斑至焊縫外任意一側。移動光斑沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為4GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

當完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊后，移動光斑至該焊縫外另一側區(qū)域，沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

在激光沖擊焊縫外區(qū)域時，光斑以所述焊縫外一端的一側為起點，貼著該焊縫邊緣沿該焊縫的長度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向平行。當光斑移動至所述焊縫邊緣另一端時，光斑的移動路徑沿該焊縫的寬度方向平行向該外側移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的長度反方向移動至該光斑起點的外側；光斑繼續(xù)沿焊縫的寬度方向向該焊縫的外側移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至焊縫該側以外5mm～10mm，完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊。

在對該焊縫外另一側區(qū)域進行沖擊時，光斑的移動路徑如上所述。

步驟5，重復沖擊。重復所述步驟3和步驟4，對試件進行第二次激光沖擊強化加工。

步驟6，表面清理，將試件表面鋁箔去除，進行表面附著物清理。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明取得了以下有益效果：

應力腐蝕機理是指敏感金屬或合金在一定的拉應力和一定腐蝕介質環(huán)境下共同作用所引起的腐蝕斷裂過程。由于拉應力的作用使金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕斷裂過程。選擇功率密度過大，使得焊接接頭的奧氏體組織劇烈塑性變形，發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉變，材料的組織由單相變?yōu)殡p相，由于兩者電極電位差異，加速了腐蝕，從而使得抗應力腐蝕性能下降；功率密度過低，無法消除殘余拉應力，導致焊接接頭的抗應力腐蝕性能就下降。采用適當?shù)募す夤β拭芏?，既能不發(fā)生相變，同時可以消除殘余拉應力，從而避免了焊接接頭抗應力腐蝕性能的下降。

采用激光沿“S”先沖擊焊縫，后沿平行焊縫方向沖擊焊縫外區(qū)域，消除焊接接頭的拉應力。

采用納秒脈沖的激光沖擊工件表面，無明顯的機械力，加工速度快，易實現(xiàn)自動化，可以沖擊復雜的型面。

附圖說明

圖1是焊縫沖擊路徑示意圖；

圖2是焊縫外沖擊路徑示意圖；

圖3是347不銹鋼不同功率密度沖擊后的XRD圖；

圖4是347不銹鋼焊接接頭沖擊強化前后的XRD圖，其中a是未經(jīng)過激光沖擊的焊接接頭，b是焊接后經(jīng)過激光沖擊強化的焊接接頭。

圖5是本發(fā)明的流程圖。圖中：

1.焊縫；2.光斑；3.路徑；4.焊縫外區(qū)域；5.馬氏體；6.奧氏體；7.經(jīng)過6.63GW/cm²激光沖擊的焊接接頭；8.未經(jīng)過激光沖擊的焊接接頭；

具體實施方式

本發(fā)明實施例提供了納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的工藝包括粘貼吸收保護層，形成約束層、激光沖擊焊縫、激光沖擊焊縫外區(qū)域、重復沖擊、表面清理等全部步驟。

實施例1

本實施例是一種納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的工藝。本實施例中的試件是316L不銹鋼焊接接頭。

具體步驟為：

步驟1，粘貼吸收保護層。以厚度為0.05mm～0.1mm的鋁箔作為吸收保護層。將鋁箔粘貼在試件的焊縫表面和焊縫兩側各7mm的區(qū)域內(nèi)，所述鋁鉑的厚度≤0.1mm。

本實施例中，所述吸收保護層的粘貼厚度為0.05mm。

步驟2，形成約束層。采用常規(guī)方法在所述吸收保護層表面形成1mm～2mm厚的去離子水層作為約束層并保持。

步驟3，激光沖擊焊縫。利用納秒脈沖激光對所述焊縫進行沖擊。沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫一端表面一側為起點，沿該焊縫的寬度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向正交。當光斑移動至所述焊縫表面另一側邊沿時，光斑的移動路徑與焊縫的方向平行向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的寬度反方向移動至該光斑起點的下方；光斑繼續(xù)以與焊縫方向平行的路徑向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至該焊縫的另一端。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為5GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

本實施例中，光斑的直徑為2.4mm。

步驟4，激光沖擊焊縫外區(qū)域。

在激光沖擊焊縫外區(qū)域時，移動光斑至焊縫外任意一側。移動光斑沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫外一端的一側為起點，貼著該焊縫邊緣沿該焊縫的長度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向平行。當光斑移動至所述焊縫邊緣另一端時，光斑的移動路徑沿該焊縫的寬度方向平行向該外側移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的長度反方向移動至該光斑起點的外側；光斑繼續(xù)沿焊縫的寬度方向向該焊縫的外側移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至焊縫該側以外7mm，完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為4GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

當完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊后，移動光斑至該焊縫外另一側區(qū)域，沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

在對該焊縫外另一側區(qū)域進行沖擊時，光斑的移動路徑如上所述。

步驟5，重復沖擊。重復所述步驟3和步驟4，對試件進行第二次激光沖擊強化加工。

步驟6，表面清理，將試件表面鋁箔去除，進行表面附著物清理。

通過本實施例，316L不銹鋼焊接接頭激光沖擊強化后表層晶粒細化，消除了焊接接頭表面約300Mpa的殘余拉應力，在材料表層形成-10Mpa以上殘余壓應力，同時激光沖擊強后的316L不銹鋼焊接接頭沒有發(fā)生馬氏體相變，抗應力腐蝕性能顯著提高。

實施例2

本實施例是一種納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的工藝。本實施例中的試件是304不銹鋼焊接接頭。

具體步驟為：

具體步驟為：

步驟1，粘貼吸收保護層。以厚度為0.05mm～0.1mm的鋁箔作為吸收保護層。將鋁箔粘貼在試件的焊縫表面和焊縫兩側各6mm的區(qū)域內(nèi)，所述鋁鉑的厚度≤0.1mm。

本實施例中，所述吸收保護層的粘貼厚度為0.1mm。

步驟2，形成約束層。采用常規(guī)方法在所述吸收保護層表面形成1mm～2mm厚的去離子水層作為約束層并保持。

步驟3，激光沖擊焊縫。利用納秒脈沖激光對所述焊縫進行沖擊。沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫一端表面一側為起點，沿該焊縫的寬度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向正交。當光斑移動至所述焊縫表面另一側邊沿時，光斑的移動路徑與焊縫的方向平行向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的寬度反方向移動至該光斑起點的下方；光斑繼續(xù)以與焊縫方向平行的路徑向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至該焊縫的另一端。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為3GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

本實施例中，光斑的直徑為2mm。

步驟4，激光沖擊焊縫外區(qū)域。

在激光沖擊焊縫外區(qū)域時，移動光斑至焊縫外任意一側。移動光斑沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫外一端的一側為起點，貼著該焊縫邊緣沿該焊縫的長度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向平行。當光斑移動至所述焊縫邊緣另一端時，光斑的移動路徑沿該焊縫的寬度方向平行向該外側移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的長度反方向移動至該光斑起點的外側；光斑繼續(xù)沿焊縫的寬度方向向該焊縫的外側移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至焊縫該側以外6mm，完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為4.5GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

當完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊后，移動光斑至該焊縫外另一側區(qū)域，沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

在對該焊縫外另一側區(qū)域進行沖擊時，光斑的移動路徑如上所述。

步驟5，重復沖擊。重復所述步驟3和步驟4，對試件進行第二次激光沖擊強化加工。

步驟6，表面清理，將試件表面鋁箔去除，進行表面附著物清理。

通過本實施例，304不銹鋼焊接接頭激光沖擊強化后表層晶粒細化，消除了焊接接頭表面殘余拉應力，在材料表層形成-100Mpa以上殘余壓應力，同時激光沖擊強后的304不銹鋼焊接接頭沒有發(fā)生馬氏體相變，抗應力腐蝕性能顯著提高。

實施例3

本實施例是一種納秒脈沖激光沖擊不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕的工藝。本實施例中的試件是304不銹鋼焊接接頭。

具體步驟為：

具體步驟為：

步驟1，粘貼吸收保護層。以厚度為0.05mm～0.1mm的鋁箔作為吸收保護層。將鋁箔粘貼在試件的焊縫表面和焊縫兩側各7mm的區(qū)域內(nèi)，所述鋁鉑的厚度≤0.1mm。

本實施例中，所述吸收保護層的粘貼厚度為0.08mm。

步驟2，形成約束層。采用常規(guī)方法在所述吸收保護層表面形成1mm～2mm厚的去離子水層作為約束層并保持。

步驟3，激光沖擊焊縫。利用納秒脈沖激光對所述焊縫進行沖擊。沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫一端表面一側為起點，沿該焊縫的寬度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向正交。當光斑移動至所述焊縫表面另一側邊沿時，光斑的移動路徑與焊縫的方向平行向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的寬度反方向移動至該光斑起點的下方；光斑繼續(xù)以與焊縫方向平行的路徑向該焊縫的下方移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至該焊縫的另一端。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為4.6GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

本實施例中，光斑的直徑為2.2mm。

步驟4，激光沖擊焊縫外區(qū)域。

在激光沖擊焊縫外區(qū)域時，移動光斑至焊縫外任意一側。移動光斑沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

沖擊時，光斑的移動路徑為“S”形。移動時，光斑以所述焊縫外一端的一側為起點，貼著該焊縫邊緣沿該焊縫的長度方向移動，并使光斑與該焊縫的方向平行。當光斑移動至所述焊縫邊緣另一端時，光斑的移動路徑沿該焊縫的寬度方向平行向該外側移動半個光斑的直徑。繼而，該光斑沿所述焊縫的長度反方向移動至該光斑起點的外側；光斑繼續(xù)沿焊縫的寬度方向向該焊縫的外側移動半個光斑的直徑。重復上述過程，直至光斑移動至焊縫該側以外7mm，完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊。

光斑在移動中，每移動半個光斑的直徑即對焊縫表面進行一次沖擊，使相鄰的光斑之間的搭接率為50％。完成對焊縫表面的激光沖擊。激光沖擊功率密度為4.42GW/cm²。激光的脈沖時間為20ns。

當完成對該焊縫外一側區(qū)域的沖擊后，移動光斑至該焊縫外另一側區(qū)域，沿焊縫的長度方向進行激光沖擊。

在對該焊縫外另一側區(qū)域進行沖擊時，光斑的移動路徑如上所述。

步驟5，重復沖擊。重復所述步驟3和步驟4，對試件進行第二次激光沖擊強化加工。

步驟6，表面清理，將試件表面鋁箔去除，進行表面附著物清理。

通過本實施例，347不銹鋼焊接接頭激光沖擊強化后表層晶粒細化，消除了焊接接頭表面殘余拉應力，在材料表層形成-130Mpa以上殘余壓應力，同時激光沖擊強后的347不銹鋼焊接接頭沒有發(fā)生馬氏體相變，抗應力腐蝕性能顯著提高。